Comment fonctionnent les cellules solaires photovoltaïques?

Cellules solaires photovoltaïquesCellule solaire photovoltaïque. Image: Dave Weaver Shutterstock

L'énergie solaire vit des temps meilleurs, chaque jour des milliers de nouveaux panneaux solaires sont installés dans le monde, générant de l'électricité propre et gratuite. Mais savez-vous comment fonctionnent les cellules ou cellules solaires? Comment peuvent-ils produire de l'électricité? Nous allons vous le dire.

Le soleil est l'énergie la plus accessible sur terre, mais pour la convertir en électricité, nous avons besoin d'un élément très abondant, le sable.

Il est nécessaire de convertir du sable en cristaux de silicium d'une pureté de 99,999% si l'on veut l'utiliser dans la fabrication de cellules solaires photovoltaïques. Pour y parvenir, le sable doit subir un processus de purification complexe pour obtenir du silicium brut (pureté de 98%).

Ce silicium brut est transformé en une forme composite de silicium gazeux, puis mélangé à de l'hydrogène pour obtenir du silicium polycristallin hautement purifié. Le procédé est un peu plus compliqué si l'on veut obtenir du silicium monocristallin, plus cher à produire mais aussi avec de meilleures performances.

Ce silicium polycristallin ou monocristallin est moulé pour former des plaquettes. Ces plaquettes sont le noyau central des cellules solaires photovoltaïques.

Dans cette structure, les atomes de silicium sont liés entre eux. Nous savons que les électrons au sein de cette structure n'ont aucune liberté de mouvement.

Si nous injectons des atomes de phosphore avec 5 électrons de valence dans la structure, dopage de type N, lorsque la lumière du soleil frappe les électrons, ils gagnent de l'énergie photonique, ce qui les rend capables de se déplacer librement. Cependant, ce mouvement aléatoire des électrons ne produit aucun courant à travers la charge.

Pour que les électrons se déplacent unidirectionnellement, une force motrice est nécessaire. Une manière simple de produire cette force motrice est une articulation PN.

Comment une jonction PN produit-elle la force motrice?

Si nous injectons du bore avec 3 électrons de valence dans du silicium pur, il y aura un trou pour chaque atome. C'est ce qu'on appelle le dopage de type P. Si les deux types de matériaux dopés se rejoignent, certains électrons du côté N iront dans la région P et rempliront les trous disponibles. Ainsi, une région d'appauvrissement est formée , où il n'y a pas d'électrons libres ou de trous.

Grâce à la migration des électrons, le côté N devient chargé positivement et le côté P devient chargé négativement, ce qui formera un champ électrique entre les charges. Ce champ électrique produit la force motrice nécessaire.

Lorsque la lumière tombe sur la région N, elle pénètre dans la région d'appauvrissement, où se produisent des électrons et des trous qui sont repoussés vers les régions N et P respectivement grâce au champ électrique. La concentration d'électrons dans la région N et des trous dans la région P devient si élevée qu'une différence de potentiel se produira entre eux.

Fonctionnement de la cellule solaire. Image: Studio BKK Shutterstock

Maintenant, si nous connectons une charge entre ces deux régions, les électrons commenceront à circuler à travers la charge, se combinant avec les trous de la région P, produisant de l'électricité.

Dans les cellules solaires commerciales, pour augmenter l'efficacité énergétique, la couche N est très mince et très bombée, tandis que la couche inférieure P est plus épaisse et peu dopée, ce qui augmente l'épaisseur de la région d'appauvrissement et donc la production d'électricité.

Pièces de panneaux solaires. Image: Alejo Miranda Shutterstock

Les cellules solaires forment des panneaux solaires en connectant un certain nombre d'entre eux à la fois en série et en parallèle, par des unions en cuivre.

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